（油气储运工程专业论文）复杂地形条件下湿气集输管路积液规律的研究.pdf

s t u d yo fl i q u i dl o a d i n gi nn a t u r a lg a s g a t h e r i n g l i n eo nc o m p l e xg r o u n dc o n d i t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g uq i o n g s u p e r v i s o r ：p r o f c a ox u e w e n c o l l e g eo fp i p e l i n ea n dc i v i le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 5 9叫m 唧67舢8 iiii-舢y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其他教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 谷葫、 日期：加7 年岁月爿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于 其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：釜盘 指导教师签名： 日期：加7j 年岁月；7 日 日期： 泓a 1 1 年多月弓j 1 3 摘要 复杂地形条件下湿气集输管路积液规律的研究，对天然气管线的工程设计和运行 管理都具有非常重要的意义。本文以起伏管路，低持液率条件下的实验操作为依托， 探寻气液两相流流动中积液的形成机理、影响因素及其分布规律。 积液形成的影响因素大致可分为三类：流体介质的组成和物性、管路的几何条件 和实验的操作条件。论文先分别从上述影响因素和受力的角度来分析了积液的成因， 又因管路内流型的变化是管内气、液相分布和变化情况最直观的表现，因此又分别研 究了上述各因素对管内流型变化和持液率分布规律的影响。 本文在双流体模型的基础上建立了气液两相流的瞬态混输模型，分别建立了气、 液相连续性方程和能量方程，并考虑了气液相间作用。流体物性计算时，采用了b w r s 方程。模型求解时，采用了四阶龙格库塔法。 实验部分在中国石油大学( 华东) 储运与建筑工程学院气液两相流模拟实验室进 行，实验操作条件限制在起伏管路中和低持液率条件下。实验数据处理利用文中所建 的数学模型和o l g a 模拟软件进行求解计算，并和实验所测数据进行对比，从而验证 模型的可行性。 关键词：低持液率，起伏管路，积液规律，持液率计算 t h e o r e t i c si ng a s 1 i q u i df l o w , o nb a s i so ft h ee x p e r i m e n ti nh i l l yt e r r a i na n dl o wl i q u i d l o a d i n gp i p e l i n e t h ef a c t o ra f f e c t e dl i q u i dl o a d i n gm e c h a n i s mi n c l u d i n gt h ec o m p o n e n ta n dp h y s i c a l c h a r a c t e r so fg a s 1 i q u i df l o w , t h ep i p e l i n eg e o m e t r i e sa n dt h ee x p e r i m e n t a lo p e r a t i o n a t f i r s t ，m e c h a n i s mo fl i q u i dl o a d i n g i se x p l o r e d ，a n dt h e nf a c t o ro fg a s l i q u i df l o wp a t t e r na n d l i q u i dh o l d u pt h e o r e t i c si np i p e l i n ei sa l s os t u d i e d g a s 1 i q u i dt r a n s i e n tm o d e li se s t a b l i s h e db a s e do nt w o - p h a s ef l o wm o d e l ( t f m ) i n t h i ss e c t i o n ，c o n t i n u a t i o ne q u m i o n sa n dm o m e n t u me q u m i o n sa r es e p a r a t e l ye s t a b l i s h e dt o g a s p h a s ea n dl i q u i d - p h a s e b e s i d e s ，t w o - p h a s ei n t e r a c t i o ni sc o n s i d e r e d b w r se q u m i o n i sa p p l i e dt oc a l c u l a t eg a s l i q u i dp h y s i c a lc h a r a c t e r sa n dt h ef o u r t hr u n g e 。k u t t am e t h o di s u s e dt os o l v et h em o d e l t h ee x p e r i m e n ti s o p e r a t e d i n g a s l i q u i d f l o ws i m u l m i o nl a b o r a t o r yi nc h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) t h eg a s - l i q u i df l o wo p e r a t i o ni sw o r k i n gi nh i l l y t e r r a i na n dl o wl i q u i dl o a d i n gp i p e l i n e t h em o d e la n do l g as i m u l m i o ns o f t w a r ea le a p p l i e dt oe x p e r i m e n t a ld a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h ec o n c l u s i o ni sc o m p a r e dt oe x p e r i m e n t a l t e s tf i n a l l y , w h i c hv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i w o f - t h em o d e l k e yw o r d s ：l o wl i q u i dl o a d i n g ，h i l l y t e r r a i np i p e l i n e ，l i q u i dh o l d u p 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的意义1 1 2 积液规律的研究现状2 1 2 1 流型判别2 1 2 2 持液率计算的研究现状3 1 2 3 复杂地形中持液率的研究现状4 1 3 研究目标和研究内容5 第二章积液的形成机理和影响因素7 2 1 流型的影响因素7 2 1 1 气、液相流速的影响7 2 i 2 流体介质的物理性质的影响8 2 1 3 管路倾角的影响1 2 2 1 4 管径的影响。1 4 2 1 5 小结16 2 2 积液的形成机理1 7 2 2 1 积液形成的影响因素1 7 2 2 2 流体受力分析l8 2 3 持液率的影响因素1 9 2 3 1 气、液相流量的影响1 9 2 3 2 管径的影响2 0 2 3 3 压力的影响2 1 2 3 4 气体组分的影响2 2 2 4 普光气田积液情况分析2 4 2 4 1 普光气田高含硫集输模式2 4 2 4 2 含水量对积液量的影响分析2 6 第三章瞬态混输流体模型2 8 3 1 气液两相流常用流动参数2 8 3 2 流体模型3 0 3 2 1 双流体模型3 0 3 2 2 漂移流模型31 3 3 气液两相流瞬态混输模型的建立3 2 3 3 1 预测模型3 2 3 3 2 求解未知函数4 0 3 3 3 求解起点参数4 2 3 4 计算剪切力4 7 3 4 1 气、液相与管壁间的剪切力4 7 3 4 2 气、液相间的剪切力4 9 3 5 气体密度的计算5 0 3 6 计算气体混合物的黏度5 4 3 6 1t r a p p 方法5 4 3 6 2 纯组分的低压黏度5 7 3 6 3 混合气体的低压黏度5 8 3 7 稳态模型启动程序计算5 8 第四章实验系统6 0 4 1 实验装置6 0 4 2 实验流程6 0 4 3 数据采集系统和采集数据6 2 4 4 实验工况6 3 4 5 实验观测总结6 6 4 5 1 三种规格管路中的流型变化特征6 6 4 5 2 实验观测现象分析研究6 8 4 6 实验工况数据处理7 2 4 6 1 模型计算与o l g a 模拟结果分析7 2 4 6 2 实验工况数据处理的稳态分析8 5 结j 沧9 4 1 论文总结9 4 2 存在不足。9 5 参考文献9 7 j l j 【谢10 0 中国油大学( 华东) 硕t ：学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 湿气集输管路是指从井口到集气站或者净化站。井口天然气一般都含有饱和水蒸 气，有的还含有h 2 s 和c 0 2 等酸性气体，属于湿气范畴。天然气处于饱和或过饱和含 水状态时，随着管路沿线温度、压力和地形的变化，管线内可能会出现游离的液体( 水) ， 在不同管线内，随着地形起伏的不同，这部分液体在管线内所占气液比例也不同，所 含液体流量的增加则导致管线输送效率下降，压力和流量波动，管线内介质的流动状 态也会发生较大改变；同时，在一定的温度和压力条件下，当气体压力波动或流向、 流态发生突变时，天然气遇水会形成一种白色结晶状固体一一水合物。高含硫的天然 气更容易形成水合物，水合物的生成将堵塞生产管线及井口设备，给生产带来严重困 难。 一般来说，天然气集输工艺分为干气输送和湿气输送两种。干气输送是指原料气 先经脱水处理后再集输；湿气输送一般是指原料气仅在井口降压分离掉液相水后即进 入集气管线。在湿气集输过程中，由于操作压力和温度不断下降，原料气的露点也不 断下降，从而会有冷凝水析出。当气、液两相流混输时，因管线内沉积液相水的存在 可能会导致严重的管线内腐蚀、水合物的形成和堵塞等安全问题。在湿气集输管路运 行中，管内积液和内腐蚀是比较常见也是比较严重的问题。文中主要对积液现象展开 研究。积液会对湿气集输管路的正常运行造成极大的影响： ( 1 ) 复杂地形条件下，积液的存在会使液体在管线的凹点处聚积，使得气体的有 效输送截面积和管输效率降低【1 】； ( 2 ) 多相流混输管路中积液的形成，会减小管线的过流面积，增加输送阻力，并 使得单位长度管线压降增加，动力消耗增大【l 】； ( 3 ) 满足一定温度条件时，积液会造成水合物产生，进而造成冰堵事故【l 】； ( 4 ) 复杂地形条件下，在起伏管路的末端，积液的存在会造成段塞流的形成，当 液塞体积超过下游处理设备的容量时，正常生产会受到很大影响，严重时会停产。由 于段塞流的原因管路中的压力和流量很不稳定，会产生冲击和振动，这会给管线造成 一定程度的破坏【1 1 。 l 第一章绪论 ( 5 ) 管线的腐蚀程度会因积液的存在而加剧，从而管道的使用寿命会降低，尤其 当气体高含硫和c 0 2 时，会使管路的电化学腐蚀加剧，易造成管线穿孔，管道的正常 运行会受到极大的威胁。 普光气田属于特大型整装海相气田，在目前国内所有气田中其规模最大、丰度最 高。目前国内天然气资源的供给远远赶不上对天然气的需求，为缓解这一矛盾，并完 善天然气管网的布局，我们必须加快普光气阳的开发，尽快完成川气东送管网的建设。 坐落在西藏高原和四i l 盆地的过度地带普光气田，地质和岩性结构复杂多样，地貌差 异较大，这样的地理位置和地层结构造成普光气田的地形条件复杂多样：山川、丘陵、 河坝等等，这给集输系统带来了很大困难。在这样复杂特殊的地理条件下，管线积液 成为集输系统亟待解决的难题。许多研究者认为，因普光气田原料气高含硫，因此只 有在管线中不存在液相水，湿气输送才会安全。若再辅以合理的管材选择、高效缓蚀 剂和腐蚀监测设备的使用、定期清管排液等技术措施，可使安全生产进一步得到保障。 国内外气田和凝析气田的集输工艺已发展得比较完善，欧美等国已有多年的开发 经验。然而在探索积液规律方面，目前的研究还多限于水平管，对复杂地形条件下的 湿气集输管路的积液规律还没有系统的研究，国内也没有大规模的气田湿气输送工业 实践。因此，为了普光气田集输系统的设计及安全和高效运行，进行复杂地形条件下 湿气集输管路中积液规律的探索研究，对积液监测和清管预测具有十分重大的意义。 1 2 积液规律的研究现状 1 2 1 流型判别 起伏管路条件下，多相流混输管路中，工艺计算主要有：( 1 ) 流型判别；( 2 ) 持 液率计算；( 3 ) 压降计算。其中，流型的变化关系到气、液和管道间的相互作用，并 对多相流混输管路中气液两相的分布和变化影响巨大，更影响到气液两相流中压降和 持液率的计算等。因此流型判别是计算持液率和压降的前提和基础，也是开展气液两 相流量研究首先要解决的问题。 流型的分类大概有两种形式：( 1 ) 气液相的分布特点可分为分离流、间歇流和分 散流；( 2 ) 根据气液界面结构情况可分为分层流、波浪流、气泡流、气团流、段塞流、 环状流、分散气泡流和弥散涮3 6 】。显然，第二种分类方式对流型的划分较详细。 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 流型判别方法大致分两种：1 以实验数据为基础获得流型图来判断流型；2 通过 数学模型来判别流型。 1 以实验数据为基础获得流型图来判断流型 b a k e r ( 5 0 年代) 提出了一副水平管流型图，适用于各种介质。李占力( 1 9 9 4 ) 等人，对各种流型分界线分别进行了圆锥曲线法回归和直线法回归，最终得出了各种 流型的分界线，并且提出了划分流型的算法1 2 1 ，这样方便了计算机上进行判断。g o v i e r ( 1 9 7 2 ) 以2 6 m m 管路空气水系统的实验为基础获得了流型图，其他的两相流流体介 质，可先由g o v i e r 提供的气液流速校正公式校正后，再通过查阅g o v i e r 流型图来判 别流型。m a n d h a n e 实验的流体介质为空气水，并结合他人实验，绘制出了流型图， 但此流型图适用于较小管径内流型的判定。 2 通过数学模型来判别流型 实验流型图皆以实验观察为基础，缺乏可靠的理论依据，对一些流型转变的影响 因素考虑得不太全面，诸如流体介质的物性、管路几何尺寸( 管径和管路倾角) 、实验 操作条件等，因此利用实验流型图进行流型判别时会产生较大的误差。为解决这一问 题，t a i t e l 通过研究流型转变的机理，导出了流型转变的物理模型和计算公式，并绘 n - j 水平管气液两相流的通用流型副1 1 。x i a o & b r i l l 模型的流型判别法适于倾角在+ 1 5 。 范围内的管路，而b a m e a l 3 1 模型的流型判别法在任何倾角下的管路都适用。另外， b e g g s b r i l l 、c r a w f o r d & w e i b e r g e r 、m c q u i l l n a & w h a l l y e 等人在这方面也做出了杰出 的贡献【1 】。 1 2 2持液率计算的研究现状 持液率计算是多相流混输管路研究中非常重要的一环，目前多相流混输研究中， 比较权威的分类方法如下两种4 】： ( 1 ) 实验关联方法。 步骤为：1 ) 在实验研究基础上，将将实验数据按一定方式相关联；2 ) 获得经验 公式；3 ) 利用内插或外推法将经验公式应用于实践【4 1 。 ( 2 ) 机理建模方法。 步骤为：1 ) 划分流型；2 ) 建立数学物理模型；3 ) 利用关系式封闭模型；4 ) 利 用模型解决实际问题。其中，流型划分是根据多相流动的本质特征进行的；数学物理 3 第一章绪论 模型的建立要分别针对特定的流型；构建结构方程式以封闭模型时要以实验研究为基 础并利用实验方法；解决实际问题要应用所建立的数学物理模型1 4 】。 目前，第二种方法己成为多相流研究领域的主流，然而仍然存在一定缺陷。它的 限制因素太严格，应用范围较窄，条件限制太苛刻，导致公式计算过程比较复杂繁琐， 很多情况下，不能正常求解，只有放宽一些限制条件，忽略一些因素，并通过一些经 验公式，才能最终获得计算结果，然而计算结果也并非尽如人意。 目前在实际工程应用中，利用经验和半经验公式解决实际问题的方法依然非常普 遍。常用的经验和半经验公式有：e a t o n 相关式5 1 、h u g a r k 相关式1 6 1 、b e g g s b r i l l ) d 扶 式【7 1 、x i a o b r i l l 相关式隅i 、m i n a m i b r i l l 相关式9 1 、m u k h e r j e e b r i l l 相关式1 0 i 平1 d u k l e ri i 相 关式1 1 】等。 在研究持液率计算相关式领域中，1 9 6 4 年d u k l e r 在前人的基础上，分析研究得 出了持液率( 吼) 、体积含液率( 毗) 和雷诺数( 月p ) 之间的关系曲线图【l l 】。1 9 6 7 年 e a t o n 通过大量实验研究，最终得出了水平管路中的持液率关联图，后该关联图经喻 西崇等人拟合后，在计算机上进行持液率的计算也比较方便【5 】。b e g g s b r i l l 对复杂地 形条件下，起伏管路的持液率计算相关式进行了修正【7 1 。m u k h e r j e e b r i l l 于1 9 8 7 年在 大量实验研究基础上，利用回归方法得出了持液率计算相关式，该持液率相关式比较 适用于起伏管路【1 0 】。 1 2 3复杂地形中持液率的研究现状 此处复杂地形举例为丘陵地形。丘陵地带的地形起伏对管路的沿线布局影响很大。 当地地势的起伏情况变化时，管线沿线的高程会发生相对剧烈的变化，丘陵地形的坡 度变化会严重影响到管线铺设时，管路倾角的变化情况，地形的相对高差较大时，管 路倾角也会很大1 2 】。而且丘陵地带的地形起伏状况，对管网的布局和多相流混输管路 中管内流型特征的影响也非常明显【1 2 】。多相流混输管路在起伏地形下常见的流型有： 分层流、泡状流、段塞流和环状流。上坡段的流型主要有：段塞流和泡状流，有时也 会出现环状流；下坡段的流型一般为分层流，有时部分管段会出现段塞流或者泡状流。 段塞流是起伏管路中比较常见的流型，因段塞流的流动多变，流动特性非常复杂， 因此起伏管路中段塞流的研究是个难题。r o t h e 和c r o w l e y ( 1 9 8 6 ) 【1 3 】等人对上倾管段 和下倾管段的段塞流流动特征通过大量实验研究后发现，在下倾管路倾角为1 5 0 2 0 0 4 中国石油大学( 华东) 硕一f ：学位论文 时，仍会形成段塞流，但这种现象只有在气相表观流速和液相表观流速都很小的范围 内才能观察到。s c o t t ( 1 9 9 0 ) 和k o u b a l l 4 】等人通过实验和理论研究表明在转折点前后 段塞流液塞液膜区的厚度发生了变化。a i s a f r a n 和s a r i c a l l5 等人则在大量实验和理论 研究的基础上证实了段塞流在经过负地形的底部时，段塞流的液塞长度会发生变化。 丘陵地形条件下的起伏状况，还关系到气、液相流体介质之i 日j 的相互作用力。因 气液两相发生分离，流体在流经下坡段后无法有效地回收流经上坡段时所累积的静压 能，其滑脱损失比水平管路中的滑脱损失要大得多。而且管内流体的静压损失会随着 频繁变化的起伏状况和剧烈变化的高差情况而愈加严重。 多年来在两相流流动特性研究中，一直针对单独的水平管、上倾管或者下倾管， 很少涉及到复杂地表条件( 如丘陵地形) ，然而在实际油气混输管线的铺设中，丘陵地 形非常普遍i l 引。 复杂地形条件下，多相流混输管线的研究领域中，国外开始得比较早，近年来国 内也有不少学者己开始针对管路压降损失的计算进行研究，然而管内积液问题很难得 到真正解决，因此研究复杂地表条件下的湿气集输管线积液问题具有非常重要的意义。 1 3 研究目标和研究内容 论文研究重心放在起伏管路中，低持液率条件下，两相流流动过程中积液的形成 机理、影响因素和持液率的分布规律，并针对上述条件，建立两相流模型。具体需完 成的工作如下： ( 1 ) 在前人研究的基础上，重点分析了起伏管路中，低持液率条件下，两相流 流动过程中积液的形成机理、积液量累积的影响因素和持液率的分布规律； ( 2 )利用三大基本方程：连续性方程，动量方程和能量方程，结合实验观测流 型，建立起低持液率下起伏管路中，两相流瞬态混输模型，并用c 语言编程，并结合 实验进行模型可行性的验证； ( 3 )利用所建立的模型计算求解中，为简化计算过程，文中做了以下假设： 忽略气液两相流混输管路中液相的压缩性； 气液两相流混输管路中，气相与液相在流动中温度保持不变，即属于等温输送。 由于天然气管道的总传热系数比较大，进入管线后温降较快，所以绝大部分管道中流 5 第一章绪论 体温度与周围环境温度很接近，因此假设条件基本符合现场实际工况； 在控制体中，瞬态过程的每一个微小时间段内，混输管道内气液两相流流动处 于局部动量平衡状态，用流型判别式判定所处流型，根据不同的流型将动量方程化简 为不同的子模型，控制方程组所需的闭合关系式则通过子模型来实现。 ( 4 )实验部分，以中国石油大学( 华东) 储运与建筑工程学院气液两相流模拟 实验室所做实验为基础，进一步分析研究低持液率下起伏管路中持液率的分布规律及 其影响因素，将利用模型求解计算所得结果与实验测量计算结果对比分析，同时验证 了气液两相流瞬态混输模型的可行性。 6 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第二章积液的形成机理和影响因素 2 1 流型的影响因素 这里所说的流型影响因素是指两相流的流型影响因素。管内气、液相分布和变化 状况最直观的表现就是管内流型的变化，流型变化与多相流工艺参数计算公式的选取 密切相关，因此流型变化问题是研究多相流问题的关键之一。 2 1 1 气、液相流速的影响 气、液相流速变化是导致流型发生变化的最主要和最直接因素。目前，以实验数 据基础的流型图，大多是按气、液相的表观流速来划分的。戈维( g o v i e r ) 流型图( 图 2 1 ) 和曼德汉( m a n d h a n e ) 流型图( 如图2 2 ) 皆是如此。从流型图上可以很直观的 看出，流型随着不同的气相表观流速对应不同的液相表观流速时会发生变化。g o v i e r 和m a n d h a n e 流型图都是以空气水为介质，横纵坐标分别是气液两相的表观流速，随 着气、液相表观流速的变化，在流型分界曲线的附近区域，气液两相流完成了从一种 流型到另一种流型的转变。 鼍 量 避 期 蜮 鞲 罂 燧 1 0 0 1 0 0 1 o 0 1 r 一 一- 7 丁职、13 ，几一 一 f 1 r ，q 日 j l 饥 7 - 分z；弋渡 乒王 、秀 一 f 1 0 1l1 01 0 0 1 0 0 0 气相折算速度坩蟹m s 图2 - 1 戈维流型图 f i g2 - 1g o v i e rf l o wp a t t e r n 7 第二二章积液的形成机理和影响因素 蚺 臣 盖 世 恻 琳 豁 霹 肇 1 0 o 1 o 0 1 0 0 0 l 0 0 l0lll ol c ) 01 0 0 0 气相折算速度，w ：g ( m s 。) 图2 - 2 曼德汉流型图 f i g2 - 2m a n d h a n e f l o wp a t t e r n 2 1 2 流体介质的物理性质的影响 在管内气液两相流流动中，流体介质的物理性质对流型变化和分布的影响有非常 大的关系。流体的物理性质主要包括气、液相介质的黏度和密度。w e i s m a n l l 7 j 于1 9 7 9 年研究的关于液相黏度和气相密度对流型分布和变化的影响如图2 。3 图2 - 6 所示。 m u k h e r j e e 和b r i l l ( 1 9 8 5 ) 1 1 引、f u r u k a w a 和f u k a n o ( 2 0 0 1 ) 1 19 1 、n a d l e r 和m e w e s ( 19 9 5 ) 1 2 0 】 以及a n d r i t s o s 和w i l l i a m s ( 1 9 8 9 ) 口l j 等在大量实验研究的基础上，分析研究了液相黏 度分别对水平管和倾斜管路内流型分布特征的影响，如图2 7 和图2 - 8 所示。研究结 果表明：液相黏度对流型分布特征的影响较大，保持液体表观流速不变时，泡状流过 渡到间歇流所需的气体流量会随着液相黏度的增大而减小。此外，若气、液相的密度 比不同，对流型变化的影响也不同。 8 中国石油大学( 华东) 硕l ：学位论文 1 u u 1 0 o 1 o 0 1 1 e 3 0 0 10 1 1 u u 0 1 ， 薯 三 了o 1 o o e 3 e jm s 各o 1 01 图2 - 3 流型分布( 液相黏度# = l m p a s ) f i g2 - 3o i l g a sf l o wr e g i m e ( 1 i q u i dv i s c o s i t y # = l m p a + s ) o 0 1 o 1 1 1 01 0 0 0 0 0 u s c ( ms ) 图2 4 流型分布o l ( 液相黏度乒f 1 5 0 m p a s ) f i g2 - 4o i l - g a sf l o wr e g i m e ( 1 i q u i dv i s c o s i t y # = 1 5 0 m p a 。s ) 9 第一二章积液的形成机理和影响因素 1 0 0 z 当o 1 0 0 1 1 e 一3 0 1 u u 了o 1 0 0 1 1 e 3 o l 1 0 0 u 。耐s ) 图2 - 5 流型分布( 气相密度p = 1 2 8 1 6 k g l m 3 ) f i g2 - 5o i l g a sf l o wr e g i m e ( g a sd e n s i t yp = 1 2 8 1 6 k g m 3 ) o 0 10 1 u s d ( “s ) 1 0 0 图2 - 6 流型分布( 气相密度夕= 4 3 2 5 4 k g m 3 ) f i g2 - 6o i l g a sf l o wr e g i m e ( g a sd e n s i t yp = 4 3 2 5 4 k g m 3 ) 。y 蹭( m l s ) 图2 7 水平管中分层流的流型转变随液相黏度不同变化曲线比较1 2 2 l f i g2 - 7s t r a t i f i e df l o wt r a n s i t i o nc u r v e sc o m p a r i s o nf o rd i f f e r e n tl i q u i dv i s c o s i t yi nh o r i z o n t a l p i p e l i n e 仂 、 e 望 y s 口( m s ) 图2 8 倾斜管中分层流的流型转变随液相黏度不同变化曲线比较2 2 i f i g2 - 8s t r a t i f i e df l o wt r a n s i t i o nc u r y e sc o m p a r i s o nf o rd i f f e r e n tl i q u i dv i s c o s i t yi ni n c l i n e d p i p e l i n e 由图2 - 3 和图2 - 4 知，水平管路中，液相黏度分别为，f = 0 0 0 1 p a + s 和旷0 1 5 0 p a s 时， 各种流型分布的总体趋势基本上是一致的，但各种流型的分布区域发生了变化，分层 第_ 二章积液的形成机理和影响闪素 流的分布区域随着黏度的增大而增大，但流型转变曲线的边界位置变动不大。 由图2 5 和图2 - 6 可以很直观地看出，在水平管路中，气相密度分别取值为p = 1 2 8 1 6 k g m 3 和夕= 4 3 2 5 4 k g m 3 时，流型分布的总体趋势基本上仍是一致的，但各种 流型的分布区间发生了变化，而且分散气泡流在p = 4 3 2 5 4 k g m 3 的流行图上消失了， 流型转变曲线的边界位置的变化非常明显。 图2 7 和2 8 表明，水平管路和倾斜管路中，液相黏度分别为旷0 0 0 1 p a s 和 旷o 1 5 0 p a s 时，流型转变曲线的位置在两种不同管路形式下的变化比较明显，各种流 型的分布区间也明显变化，但流型转变曲线的变化趋势基本一致。 由图2 3 - - 图2 8 的研究表明，流体介质的物性变化对流型分布产生的影响主要表 现为： ( 1 ) 气液两相流流动中，由分层流向段塞流转变时要求的气相表观流速和液相表 观流速会随着液相黏度的增大而降低，即段塞流会随着液相黏度的增大而更易出现。 ( 2 ) 下倾管路中，分层流与其他流型间的转变曲线会随着液相黏度的增大向外扩 展，即分层流存在的范围随着液相黏度的增大而扩大。 ( 3 ) 对流型的总体分布结构趋势随着液相黏度的变化并没有产生比较明显的影 响，只是流型转换的边界产生了偏移。 2 1 3 管路倾角的影响 在倾斜角度对流型的影响方面，研究方式大致分为：实验研究和模型预测。实验研 究方面，1 9 8 6 年，s t a n n i s l a v 和k o k a l 等人【2 3 】为研究油气两相流的流型分布特征，特别 针对内径为2 5 8 m m 的管路，分别在管路倾角为0 0 、l o 、5 0 和9 0 条件下进行了实验，研究 结果表明，管内气液两相流流型的分布特征随管路倾角不同的变化非常明显，即管路倾 角与管内流型分布密切相关，并在实验和理论研究基础上获得了相应状态下的流型图。 w o o d ( 1 9 8 9 ) 2 4 1 则以空气水为介质两相流的流型分布特征，其实验管道内径为5 0 m m ，管 路倾角分别为2 。、1 7 5 0 、o 。和2 0 。两相流流型转变模型预测方面，t a i t e l & d u k l e r ( 1 9 7 6 ) 1 2 5 i 模型适用于水平管道和微倾斜管道；g h a s s a n & a l i ( 2 0 0 0 ) 2 6 1 模型的适用流型仅限于段塞 流，且仅适用于垂直管路和上倾管段内中的段塞流；p e t a l a s 和a z i z ( 2 0 0 0 ) | 2 7 】对 t a i t e l & d u k l e r 模型和g h a s s a n & a l i 模型进行了改进，建立的流型预测模型适用范围更为 广泛。 1 2 中国缸油人学( 华东) 硕士学位论文 彷 苌 i u g s ( m s ) 图2 - 9 空气水的流型图( 倾角0 = 1 。) f i g2 - 9a i r - w a t e rf l o wr e g i m e ( 0 = 1 。) u g s ( m s ) 图2 一l o 空气一水的流型图( 倾角0 = 4 。) f i g2 - 1 0a i r - w a t e rf l o wr e g i m e ( 口= 4 。) m u k h e r j e e l l 钔，b a r n e a ，f e r s c h n e i d e rf 2 8 】等人认为，因重力作用，微小的倾角变化， 也会使流型转变产生巨大的影响。管路倾角对管内流型分布的有非常大的影响，因此必 须考虑倾角对流型判别的影响。b a m e a 和f e r s c h n e i d e r 的实验流行图分别如图2 9 和图 1 3 第一二章积液的形成机理和影响因素 2 1 0 所示。 管路倾角对油气两相流的流型分布和转变边界的影响有： ( 1 ) 倾斜管路与水平管路在气液两相流流型的分布结构上明显不同。水平管路流 型图上，存在形成间歇流所需的最低液相表观流速；当气相表观流速和液相表观流速均 较低时，倾斜管路中会形成间歇流，而水平管路中则会形成分层流或波浪流。 ( 2 ) 倾斜管路中，倾角比较相近时，管路中流型的总体分布结构比较相似，只是 各种流型的转变边界曲线会发生偏移，各种流型所占的区间分布范围也不同。由于重力 作用，层状流向间歇流转变所需的气相表观流速会随着管路倾角的增大而增大。 2 1 4 管径的影响 为研究管径对管路内流型分布特征的影响，w e i s m a n ( 1 9 7 9 ) 1 1 7 1 利用内径分别为2 5 m m 和5 0 m m 管道进行了实验如图2 11 所示，结果表明，随着管径的不同，各种流型形成和 发展所需的气、液相表观流速有明显的差别。l i n ( 1 9 8 7 ) 1 2 9 】的实验结果如图2 1 2 和图2 1 3 所示，研究表明在分层流向段塞流转变的边界位置上，管径的影响较大。 如9 ( m s ) 图2 1 l 管径对气水两相流流型转变曲线的影响1 2 2 1 f i g2 - 1 1g a s - w a t e rf l o wr e g i m et r a n s i t i o ni nh o r i z o n t a lp i p e so nt h ei m p a c to fd i a m e t e r 1 4 中国缸油人学( 华东) 硕士学位论文 1 0 薹0 1 o 0 1 1 e 3 o 0 10 111 01 0 0 u 触s ) 图2 1 2 水平管内油气两相流流型分布( 管径为2 5 4 ) 1 2 9 1 f i g2 - 1 2o i l - g a sf l o wr e g i m ei nh o r i z o n t a lp i p e ( 2 5 4 m md i a ) 1 0 o 1 o 0 1 1 e 3 0 0 10 111 01 0 c u s g ( 1 1 1 s ) 图2 1 3 水平管内油气两相流流型分布( 管径为9 5 3 ) 1 2 9 1 f i g2 - 1 3o i l - g a sf l o wr e g i m ei nh o r i z o n t a lp i p e ( 9 5 3 m md i a ) 1 5 第_ 二章积液的形成机理和影响因素 由图2 1 1 可知，管径分别为2 5 m m 和5 0 m m 时，在水平管内的流型图上，除流型 转变曲线的位置发生变化外，由分层流过渡到其他流型的转变曲线的分布趋势基本是 一致的。若保持气相表观流速不变，d = - 5 0 m m 管路所需的从层状流过渡到段塞流液相 表观流速大于d = 2 5 m m 管路。由图2 1 2 和图2 1 3 中可知，流型过渡的边界曲线会随 着管径的变化而变化，但流型图的分布趋势和基本结构总体上是一致的。因此： ( 1 ) 在不同管径下的水平管内，气液两相流的流型分布是相似性的。管径对流型 的结构分布没有影响，但从一种流型过渡的另一种流型的边界位置因管径不同则会发 生偏移。 ( 2 ) 水平管内，气液两相流由层状流过渡到段塞流的边界位置随着管径变化而变 化。管径越大，管路中越难形成段塞流，即形成段塞流所需的液相表观流速随着管径 的增大而显著增大。 ( 3 ) 另外，流型图中分层流的气相区间随着管径增大而增大。 2 1 5 小结 以上几节内容简单分析研究了气液两相流混输管路中，气、液相流速、流体介质的 物性、管路倾角和管径分别对气液两相流混输管路中，流型分布特征的影响，总结如下： ( 1 ) 气、液相流速的影响。气液两相流混输管路中，流型的分布特征受气、液相 流速的影响是比较直观的。水平管路中，当液相表观流速较低时，保持液相表观流速不 变，随着气相表观流速的增大，流型过渡依次为：分层流、波浪流、环状流，很少出现 段塞流。当气相表观流速较高时，保持气相表观流速不变，随着液相表观流速的增加， 流型过渡依次为：分层流、段塞流或波浪流、段塞流。 ( 2 ) 流体介质物性的影响。流体介质的物性中，段塞流的形成受液相黏度的影响 最为明显。随着液相黏度的增大，水平和上倾管内更容易生成段塞流，即段塞流形成所 需的气相表观流速随着液相黏度的增大而减小；下倾管中，分层流的气相区间随着液相 黏度增加而增大。 ( 3 ) 管路倾角的影响。流型分布及其转变特征与管道倾角密切相关，水平管道和 倾斜管道内的流型分布结构差异很大。 ( 4 ) 管径的影响。油气两相流水平管路中，流型分布的总体结构与管径大小无关， 但管径大小对流型转变的边界位置有较大的影响。气相表观流速不变，管径越大，能 1 6 中国石油人学( 华东) 硕j j 学位论文 够产生段塞流所需的液相表观流速也越大。 2 2 积液的形成机理1